基于QAR數據的民航客機設計理念分析

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(1.上海飛機客戶服務有限公司, 上海 200241; 2.北京航天測控技術有限公司，北京 100041；3.北京市高速交通工具智能診斷與健康管理重點實驗室，北京 100041; 4.軌道交通裝備全壽命周期狀態監測與智能管理技術與應用北京市工程實驗室，北京 100041)

基于QAR數據的民航客機設計理念分析

陳嘯1，王永飛2,3,4

(1.上海飛機客戶服務有限公司,上海200241; 2.北京航天測控技術有限公司，北京100041；3.北京市高速交通工具智能診斷與健康管理重點實驗室，北京100041; 4.軌道交通裝備全壽命周期狀態監測與智能管理技術與應用北京市工程實驗室，北京100041)

中國國內運行著大量國外先進民用飛機。這些飛機全部裝有飛行數據快速存取記錄器，以采集飛行數據開展飛行品質監控工作;民機日常飛行數據除了能夠在航空公司運行中發揮作用，還能夠通過技術手段分析得出先進型號的設計經驗與運行特點，相關技術成果對國產民機制造業的發展也具有一定的借鑒意義;在分析國內外相關研究基礎上，以兩款國外民機巡航段飛行數據的分析為例，解析了兩型飛機的高度保持控制律設計邏輯，實際案例分析表明，基于QAR數據的分析能夠有效地反應在自動飛行階段高度保持控制律中體現的設計邏輯，從而有助于對國產民機的設計和優化。

QAR數據；自動飛行；高度保持控制律；設計邏輯

0 引言

QAR(quick access recorder，快速存取記錄器)是一種無保護裝置的機載飛行數據記錄設備，主要用于日常運行時獲取飛行數據[1]。根據設計技術標準的不同，QAR記錄的飛行數據種類由200～2000之間不等，基本覆蓋飛行員操作、飛機飛行參數、重要系統參數。根據參數重要程度和設備設計原理，各參數記錄頻率從一秒16～0.25次不等。對QAR數據進行分析，可以歸納得到主制造商在設計制造中的一些基本理念，對國產民機制造業有它山之石的借鑒意義。本文將給出兩種國外進口民用飛機型號的飛行數據分析示例，以探究其在自動飛行階段高度保持控制律中體現的設計邏輯。

1 國內外基于QAR數據的應用現狀

隨著科技的進步，民航業的運輸安全水平得到了不斷提高，航空重大事故率已降低至百萬次飛行0.8次的較好水平。同時，我國的民航安全水平也取得了長足進步。1999年到2008年的數據顯示，我國運輸航空重大事故率為百萬次飛行0.2次。由此可見國內民航業安全運行條件不斷改善，安全記錄持續改進。然而，與發達國家如美國比，我國的億客公里死亡人數在2009年以前都一直高于美國，可見，我國定期載客航班運輸的安全水平，在民航業不斷發展的過程中仍然需要不斷提高。

為將風險管理落到實處，并以此不斷提高飛機和飛行操作的安全性，中國民航自1993年起開始研究飛行品質監控技術，按照規定，凡在中國境內注冊的大型公共運輸航空器都必須安裝飛行數據記錄器(Flight Data Recorder, FDR)和快速存儲記錄器(Quick Access Recorder, QAR)，這些數據記錄器是飛行品質監控(FOQA)的重要硬件支持[2]，它們可以收集飛行運行過程中的數百個運行數據，從而客觀全面地展現飛行在整個飛行過程中的狀態以及飛行員的操作表現。同時，航空企業也可以將這些數據傳輸在地面用于飛行品質監控工作，通過監控出發邏輯判斷的超限事件，進而達到風險管控的目的。

QAR相比FDR，由于更易存儲，采樣頻率高，故記錄的參數更多，從而對QAR數據的分析結果也更加準確，因而被航空公司廣發采用。QAR能夠連續記錄600小時的飛行數據，記錄容量可以達到128M[3]，最多可存儲2000多個參數，數據存儲量相當之大，可以記錄多次航班從起飛滑跑開始到最后著陸滑跑停至機位的一系列信息，具有較高的研究價值，所以，基于QAR的數據對航班的整個起降過程的安全風險進行研究，可以對實際運行中可能出現的各種不安全事件起到很大的預防作用。

目前，借助QAR系統記錄數據并開展了“飛行品質操作保證計劃”也就是FOQA計劃已在全球部分航空公司業廣泛應用。按照Flight Safety Foundation(FSF)中FOQA 的定義，該項應用的主要目的是用獲取飛機在航線飛行時的飛行數據，并進行分析，以提高飛機飛行時的可操作性和安全性，進而改善機組對飛機的操作技術和飛機運行機制。

1.1 基于QAR數據進行飛行品質監控的研究

為克服飛行員主觀感覺和人工解讀的誤差和效率低下的問題，20世紀70年代起，世界上知名航空公司就已經開始進行軟件研發，并且將軟件用于檢測飛機狀態以便為飛機維修和發動機監控提供幫助。在 2004年11月初段[4]，設立于Cranfield大學的英國民航局研究中心采用Flightscape公司的基于可視化窗口操作系統(Insight FDM系統)試圖找到一種利用QAR數據分析來提高飛機飛行安全性的方法，該系統是Flightscape公司專門開發出來用于航空公司進行飛行數據分析的軟件。

美國的SMI公司(Scientific Monitoring.Inc)以發動機視情維修思想為指導，專門研發了一款針對復雜的資金密集型設備(比如民用航空發動機)的狀態監控軟件。該軟件結合了計算機數據挖掘、人工智能等相關技術(如人工神經網絡)，成功建立了可靠的數學監控模型，可以對一些不安全事件或者事故癥候提前發出預警，從而協助用戶更加方便地制定維修計劃，從而降低生產成本，取得了較好的經濟效益。同時，美國的Sim Author公司的Flight Viz飛行數據模擬試驗再現軟件可以將飛行數據廣泛應用于日常監控工作中，并且起到了明顯的效果。

1997 年，中國民航總局在要求所有運輸機加裝上QAR設備，并且要對所飛的每個航班實施監控和數據分析，對改進的飛機飛行品質和保證飛行安全提供重要的科學手段。隨后，國內部分航空公司或航空科技企業也圍繞QAR數據的分析和應用開展了一些工作[5-6]。部分國產飛行品質監控在國內航空公司有小范圍使用，其功能與國際同類軟件基本相同，為國內飛機飛行品質的監控進行了有益探索。同時，飛行品質監控工作的實施也大大提升了國內民航運行安全水平。

1.2 基于QAR數據進行飛機性能監控的研究

QAR數據也能反映老齡飛機的性能衰減情況。國內學者周百政等對利用EHM軟件進行性能監控做了研究[7]，近年來，由于飛機機齡的增大以及對飛機油耗的精確要求和飛行安全品質的狀況不斷提高，國內各主要航空公司陸續開展了基于QAR數據的飛機性能監控計劃。其中，中國國際航空公司自2008年開始，便逐步探索發力飛機性能監控工作，依靠所研發的AHM和QAR兩套系統開展性能監控工作，成功覆蓋了其全部機型。深圳航空用精確的數據作為監控依據，利用QAR數據分析系統來提供飛行計劃的優化、飛機性能的監控、飛行時間的統計和節油管理。南方航空公司開展發動機狀態排隊、計劃發展、發動機性能衰減評估等狀態分析工作，并且利用此成果，加強了對其內部飛機的規劃安排工作，提高了飛機發動機的使用安全性和經濟性。

2 QAR結構與原理分析

典型QAR數據應用系統架構及工作原理如圖1所示。

圖1 典型QAR數據應用系統架構

由飛機機載航電系統采集的總線數據被存儲在QAR中，一般在落地后人工或通過4G網絡、機場wifi下載傳輸至航空公司運行基地，譯碼軟件分析后經遠程數據系統轉存至數據中心進行分析工作：在數據中心中主要由事件監控系統服務器進行數據自動統計的工作，然后持久化至終端數據庫，最終提供給維修部門和安全管理部門進行分析和使用。

一般情況下，QAR飛行數據可以按照表1分為4類。

表1 QAR數據類型及描述

以上幾類參數，狀態參數的觀測值一般呈線性變化，一些具有目標值得狀態類參數還具有特定的分布曲線，具有良好的研究價值。其他三類參數一般作為狀態類參數超限時尋找超限原因的輔助工具和數據支撐，分析人員一般依靠著幾類數據的綜合分析來提出避免超限的可靠方法。

在實際運行中，QAR數據的分析和管理只是飛行品質監控的一小部分，航空公司一般借助軟件對QAR的各項數據進行自動篩選，并統計成表，再依靠航后管理功能對相關事件進行復訓[8]。

3 基于某型干線飛機自動巡航飛行數據分析的設計

截取某型干線飛機巡航中的兩分鐘數據進行分析。涉及的飛行數據均在直線巡航飛行中提取，飛行中橫向和側向的擾動微小可忽略。當時飛機處于自動駕駛狀態，飛行員沒有操作動作。高度曲線中，虛線為飛行員當時預選高度，數值為27 000 ft。升降舵偏轉、發動機推力調整等動作均由自動駕駛儀和自動油門控制。將該時間段飛行高度、發動機低壓渦輪轉速(N1)、升降舵偏角、法向過載、垂直速度等參數如圖2所示。

圖2 某型干線飛機自動巡航飛行中4個典型參數

根據圖2中的數據曲線還原當時飛行場景如下。

1)0～60 s之間：在該時間段內，飛行氣壓高度穩定在26 950 ft左右，比預選巡航高度低50 ft。該偏離值在航空器實施RVSM運行的適航批準范圍(-65～+65 ft)之內[9]。飛機升降舵基本無動作，穩定在-0.2°。發動機N1數值緩慢增加，但增加量不足以引起高度調整。

2)60～75 s之間：在該時間段內，發動機N1值有顯著增加，促使飛機推力增大產生爬升率。為保持飛行姿態與速度，升降舵配合N1進行調整，偏轉量級在-0.3～+0.3°之間。二者共同作用的結果是飛行高度在十五秒之內追回到預選高度27 000 ft。期間為避免高度過快增加超出預選高度，在垂直速度為正、高度持續增加的情況下，N1值從68 s起開始回調。

3)75 s之后：飛機高度保持在27 000 ft左右，且有輕微上升趨勢。發動機推力有微調降低，升降舵基本穩定在-0.2°左右。

由上數據分析結果可以概括該型飛機在巡航中自動飛行階段的高度保持控制策略。首先，飛行高度偏離預選高度在一定范圍內，飛機不會明顯調整動力或升降舵。少量數據分析結果表明該范圍為-80～+80 ft。其次，飛行高度持續偏離超過某一閾值，則發動機推力、升降舵會在短時間內(上圖例中時間為15 s)進行操作，達到保持高度追蹤的目的。該閾值目前尚不明確，持續時間、高度偏離數值、垂直速度都有可能包含其中。

經實際飛行數據證實，在上述飛行控制策略的作用下，飛機在自動飛行中的高度平均偏差較大。但飛行過程平穩，垂直過載較小，很少造成乘員對過載的體感。

4 基于某型支線飛機自動巡航飛行數據分析的設計

同樣截取某型國外制造支線飛機在自動駕駛狀態下的兩分鐘數據進行分析。高度曲線中，虛線為飛行員當時預選高度，數值為21 700 ft。升降舵偏轉、發動機推力調整等動作均由自動駕駛儀和自動油門控制。將該時間段氣壓高度、發動機低壓渦輪轉速(N1)、升降舵、法向過載等參數如圖3所示。

圖3 某型支線飛機自動巡航飛行中4個典型參數

圖3中可見，該支線飛機與上文某干線飛機的自動飛行階段數據曲線特點截然不同。

1)高度、升降舵、法向過載都存在不規律的振蕩，部分時候可見20 s的周期性，如圖中兩直線標記的高度、升降舵波谷所示；

2)升降舵、N1都具有較頻繁的操作。在高度偏離小于30 ft的情況下，升降舵偏離配平位置的角度范圍在0.6°以內，N1調整范圍在8%以內；

3)高度變化與升降舵偏轉之間具有明顯相關性，二者曲線相位基本相同；

4)高度偏離僅25 ft(圖上40 s時)也會導致升降舵較大偏轉(0.5°)，此時法向過載峰值1.17 g。

數據分析結果反映出該型飛機的高度保持控制策略也與上文干線飛機完全不同。該型飛機控制策略是時刻跟蹤高度，一旦高度偏離就會做出升降舵和發動機油門操作，使得飛機返回預選高度。因此平飛中飛機會頻繁使用升降舵和油門控制飛行狀態。如此設計的優點在于飛機高度保持能力較好，平均高度偏差小于上文干線飛機。缺點是會有較明顯的高度振蕩，且易出現峰值較高(上圖中過載峰值1.17 g)的法向過載，導致機上人員產生較強的體感。

5 QAR數據分析結論的借鑒意義

我國的國產民機制造業尚處于探索階段，距離國外先進水平仍有差距。加之國外嚴格的技術封鎖、自身設計與運行經驗的欠缺，設計人員在個別情況下無法給出明確的系統原理邏輯和設計指標。因此，從QAR數據中分析得到的其他機型基礎設計理念就顯得尤為寶貴。

6 實驗結果與分析

上文兩型飛機的自動飛行高度保持控制邏輯就能夠為國產民機的設計提供借鑒。兩型飛機都通過了高標準的適航審定。對某干線飛機而言，實際飛行數據證明其高度偏離值并未時刻控制在規章要求范圍內。但這種控制策略在保證基本安全性的前提下大大提高了乘坐舒適性。對某支線飛機，其簡單的控制策略可能出自支線運行環境、軟硬件成本等方面的考量。但在實際運行環境中不可避免會出現法向過載的較大變動，引起乘員的顯著體感。目前我國國產支線飛機與文中支線飛機采用了近似的設計邏輯，在運行中也出現了同樣的問題。為改善乘坐舒適性，使用調整控制律參數的手段收效甚微。而根治問題的辦法就可以借鑒某干線飛機，從根本上改變高度保持控制策略。

7 結論

中國民航規章對航空器的RVSM空域實施300米(1000英尺)垂直間隔標準運行適航批準有統一的要求。但各型號為達到同樣標準而采取的控制策略各有不同。由于不同型號具有各自的重量和氣動設計特點，因此不能簡單的根據數據評判各自控制策略的優劣，也不能生搬硬套地借鑒他人經驗。本文的研究成果僅基于少量國外型號在國內運行的QAR數據。如能得到更多數據的支持，分析結論可以得到更充分的驗證，對國產民機制造業的促進意義也將更顯著。

[1] 中國民用航空局飛行標準司. 飛行品質監控(FOQA)實施與管理[R]. AC-121/135-FS-2012-45R1, 2012.

[2] 俞力玲.中國民航飛行品品質監控回顧與展望 [J].中國民用航空,2012,140.

[3] 張 杰.飛行品質監控與飛行安全[J].中國民航飛行學院學報,2002,13(3).

[4] 周百政. QAR數據處理系統的設計與實現[D].天津:中國民航大學,2009.

[5] 耿 宏, 李萍萍, 劉家學. 基于壓縮感知的QAR數據重構[J]. 計算機測量與控制, 2013, 21(5): 1351-1353.

[6] 高飛鵬, 黃加陽, 陳新霞. 基于航后QAR數據譯碼的APU故障診斷技術[J]. 計算機測量與控制, 2016, 24(1): 42-45.

[7] 周百政,曹惠玲. 基于EHM軟件思路的QAR數據處理[J]. 航空維修與工程,2010(4):60-62.

[8] 楊繹煊.基于QAR數據的航班運行安全風險研究[D]. 天津:中國民航大學,2016.

[9] 中國民用航空局航空器適航審定司. 在RVSM空域實施300米(1000英尺)垂直間隔標準運行的航空器適航批準[R]. AC-21-13, 2013.

AnalysisofCivilAirlinerDesignConceptBasedonQARData

Chen Xiao1，Wang Yongfei2,3,4

(1.Shanghai Aircraft Customer Service Center, Shanghai 200241,China; 2.Beijing Aerospace Measure & Control Corp.Ltd, Beijing 100041, China; 3.Beijing Key Laboratory of High-speed Transport Intelligent Diagnostic and Health Management, Beijing 100041, China; 4.Beijing Engineering Laboratory of Rail Transportation Equipment Life Cycle Condition Monitoring and Intelligent Management Technology and Application, Beijing 100041, China)

China is running a large number of foreign advanced civil aircraft.These aircraft are all equipped with flight data quick access recorders to collect flight data for flight quality monitoring.Besides being able to play a role in airline operation, the daily flight data of civil aircraft can also analyze the design experience and operation characteristics of advanced models through technical analysis.The relevant technical achievements have certain reference significance to the development of domestic civil aircraft manufacturing industry. Actual case analysis shows, the analysis based on QAR data can effectively respond to the design logic embodied in the altitude maintenance control law of the automatic flight phase, which can benefit the design and optimization of the domestic civilian aircraft.

QAR data; automatic flight; control law of the altitude maintenance; design logic

2017-07-13；

2017-07-20。

陳 嘯(1986-)，男，安徽淮南人，碩士，工程師，主要從事飛行數據分析、飛行安全監控、不安全事件調查等工作方向的研究。

1671-4598(2017)10-0151-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.10.039

TP183

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